1 前言
在電動(dòng)汽車的研究中，電池技術(shù)是整車研究的基礎(chǔ)，也是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸。作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，動(dòng)力電池需要克服環(huán)境溫度變化和單體電池老化或損壞等因素，穩(wěn)定輸出所需的功率，此外，為了延長(zhǎng)動(dòng)力電池的使用壽命，需要在使用時(shí)對(duì)充放電電流作嚴(yán)格控制。
BMS（Battery Management System）通過實(shí)時(shí)檢測(cè)控制電池的電壓電流和工作溫度，使電池工作在最佳狀態(tài)，滿足汽車動(dòng)力需求并延長(zhǎng)電池壽命。BMS的控制性能對(duì)電池的工作狀態(tài)和壽命影響很大，它已經(jīng)成為汽車電池技術(shù)研究的重要方面[1]。在BMS的開發(fā)過程中，首先需要對(duì)電池的電壓電流和工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以確保電池工作在設(shè)定的狀態(tài)，其次BMS實(shí)際工作時(shí)需要其它節(jié)點(diǎn)的參與，所以，在開發(fā)階段需要模擬其它節(jié)點(diǎn)和BMS交互，最后，根據(jù)電池的狀態(tài)標(biāo)定BMS的參數(shù)也是一項(xiàng)很重要的工作，直接影響BMS的控制效果和開發(fā)進(jìn)度。
為此，在BMS的開發(fā)中，需要一個(gè)集電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)、模擬其它節(jié)點(diǎn)輸入、BMS參數(shù)標(biāo)定于一體的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)要能直觀地反映電池狀態(tài)，具有良好的交互性，在長(zhǎng)時(shí)間的BMS測(cè)試中，保持良好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。
為了滿足BMS開發(fā)的要求，本文設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器技術(shù)的BMS監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于LabVIEW技術(shù)，具有直觀的監(jiān)測(cè)界面和標(biāo)定控制界面，可以在BMS開發(fā)過程中輔助開發(fā)人員監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)，完成控制標(biāo)定工作，加快開發(fā)進(jìn)度。
LabVIEW是美國NI公司研制的圖形編程虛擬儀器系統(tǒng)。主要包括數(shù)據(jù)采集、控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表示等功能，以圖形方式組裝軟件模塊，生成專用儀器[2] 。LabVIEW摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性，提供強(qiáng)大功能的同時(shí)保證了系統(tǒng)靈活性。PCMCIA-CAN 8461是2端口高速CAN接口，可與高速CAN設(shè)備進(jìn)行高達(dá)1Mbps的通信。8461CAN卡使用Philips SJA1000 CAN控制器，具有單一監(jiān)聽、自發(fā)自收和高級(jí)濾波模式和用于休眠/喚醒模式支持的新收發(fā)器[3]。利用NI的數(shù)據(jù)采集卡可以和LabVIEW實(shí)現(xiàn)無縫連接，縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
監(jiān)控系統(tǒng)基于便攜式工控機(jī)和CAN通訊卡設(shè)計(jì)，通過CAN總線和BMS實(shí)現(xiàn)信息交互，輸入電流電壓和故障診斷信息等狀態(tài)參數(shù)，輸出標(biāo)定信號(hào)和模擬其它節(jié)點(diǎn)的控制信號(hào)。BMS采集電池狀態(tài)信息，通過CAN模塊傳給數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)，控制高壓電系統(tǒng)保持電池的工作在許可區(qū)間。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.1 硬件設(shè)計(jì)
動(dòng)力電池組的有關(guān)參數(shù)通過BMS的數(shù)據(jù)采集模塊處理，然后通過CAN總線傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)，CAN協(xié)議是根據(jù)系統(tǒng)的整體需求確定的。硬件連接如圖2所示。
CAN信號(hào)除包含監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)信息和故障診斷信息外，還包括控制信息和標(biāo)定信息。在監(jiān)控系統(tǒng)中，CAN信號(hào)的處理通過8461來完成。8461是NI的高性能CAN卡，可以兼容PCMCIA和PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）兩種接口，擴(kuò)展了使用范圍。用戶層的CAN協(xié)議以配置文件的形式導(dǎo)入CAN卡，經(jīng)過一次配置，在后續(xù)處理的時(shí)候可以屏蔽CAN的幀結(jié)構(gòu)，直接把CAN幀的數(shù)據(jù)區(qū)當(dāng)作不同的channel（相當(dāng)于普通的物理量形式)，并可在CAN卡完成channel的線性變換，降低處理的復(fù)雜度。
圖2：系統(tǒng)硬件
2.2 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，主要完成數(shù)據(jù)的讀取、處理、顯示和保存，要求有較高的采樣頻率，較好的穩(wěn)定性和較低的資源占用率。本系統(tǒng)軟件基于LabVIEW編寫。LabVIEW的最大特點(diǎn)是圖形化編程，數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)，這使得編程工作簡(jiǎn)單直觀。在LabVIEW提供的Measurement And Automation配置工具中安裝相應(yīng)CAN卡的驅(qū)動(dòng)程序后，可以在LabVIEW中直接訪問CAN卡。
2.2.1 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)處理程序是整個(gè)系統(tǒng)軟件的核心，完成數(shù)據(jù)處理和界面刷新功能。數(shù)據(jù)處理程序采用了模塊化編程的思想。模塊化編程是LabVIEW的一大特色，使用模塊化編程使得程序的處理流程更加清晰，在指定了模塊之間的接口以后，可以獨(dú)立修改某個(gè)模塊內(nèi)部的框圖而不會(huì)互相影響，增加了程序維護(hù)的靈活性。數(shù)據(jù)處理程序主要由數(shù)據(jù)交互模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模，顯示刷新模塊和標(biāo)定模塊組成。各模塊分配了相應(yīng)緩存，模塊之間相互獨(dú)立，有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口。模塊執(zhí)行采用定時(shí)中斷結(jié)構(gòu)，定時(shí)中斷相對(duì)于輪詢方式可以釋放一部分CPU，顯著降低程序的資源占用率。LabVIEW獨(dú)有的“Timed Loop”控件可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的定時(shí)，相對(duì)于程序內(nèi)部的軟件定時(shí)提高了精確性，保證了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。數(shù)據(jù)交互模塊直接訪問CAN卡，由于CAN卡本身自帶一定的緩存，因此，在程序中使用定時(shí)訪問來傳輸原始數(shù)據(jù)，可以在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)減少訪問CAN卡的次數(shù)，加快了處理速度。數(shù)據(jù)交互模塊主要完成相關(guān)信號(hào)的提取，濾波和相關(guān)參量的計(jì)算。為了節(jié)省設(shè)備資源，在CAN總線中，相關(guān)信號(hào)合成在一個(gè)字節(jié)中，程序首先要把這些不同信號(hào)提取出來，經(jīng)過相關(guān)處理后打包送往數(shù)據(jù)緩存。顯示模塊和數(shù)據(jù)采集模塊共享數(shù)據(jù)緩存，當(dāng)顯示定時(shí)到達(dá)時(shí)，讀取數(shù)據(jù)緩存，完成顯示刷新。標(biāo)定控制模塊完成對(duì)BMS控制參數(shù)的標(biāo)定，定時(shí)查詢標(biāo)定動(dòng)作寄存器，如果有標(biāo)定動(dòng)作，就執(zhí)行標(biāo)定子程序。存儲(chǔ)模塊把原始數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)文件中，以備離線分析。存儲(chǔ)模塊的緩存大小需要根據(jù)內(nèi)存大小來確定，確定合適的緩存可以既減少訪問硬盤的次數(shù)，又不會(huì)影響其它程序
的執(zhí) 行。
圖3：數(shù)據(jù)處理程序流程圖
在程序的設(shè)計(jì)中，采用了并行循環(huán)的思想，即把數(shù)據(jù)交互模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊放在一個(gè)循環(huán)里，界面刷新模塊和標(biāo)定模塊放在另一個(gè)循環(huán)里，兩個(gè)循環(huán)并行執(zhí)行，避免了串行執(zhí)行過程中模塊之間的互相影響。保證了采集模塊不丟幀，避免了刷新模塊可能的延遲。
2.2.2 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)
人機(jī)交互界面包括監(jiān)測(cè)界面和標(biāo)定控制界面，監(jiān)測(cè)界面實(shí)時(shí)顯示電池狀態(tài)信息，標(biāo)定控制界面實(shí)現(xiàn)BMS控制參數(shù)的控制和快速標(biāo)定。
監(jiān)測(cè)界面中，電池電壓，電流和SOC等重要的信號(hào)優(yōu)先考慮，突出顯示，其它信號(hào)按照類別組合顯示，同時(shí)，設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)選擇和存儲(chǔ)間隔選擇，使得數(shù)據(jù)的保存更加方便靈活。監(jiān)控界面采用了黑色的底色和灰色的文字，避免了長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控引起的視覺疲勞；用亮綠色顯示信號(hào)值更加直觀醒目。表盤數(shù)字也選用了亮綠色，配上紅色的指針，便于觀察。
標(biāo)定界面通過TAB控件和監(jiān)測(cè)界面組合在一起，可以手動(dòng)切換顯示。標(biāo)定界面主要含有參數(shù)狀態(tài)顯示空間和標(biāo)定參數(shù)選擇控件，即用戶可以同時(shí)查看標(biāo)定前，標(biāo)定后和輸入的標(biāo)定值，這樣可以直觀地顯示整個(gè)標(biāo)定過程。界面風(fēng)格的設(shè)計(jì)上和監(jiān)控界面保持一致，淡化次要信息，突出重要信息。
圖4：監(jiān)測(cè)界面 圖5：標(biāo)定控制界面
3系統(tǒng)測(cè)試
監(jiān)控系統(tǒng)完成后，配合實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的BMS進(jìn)行了試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，整車臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和車載實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的電池監(jiān)測(cè)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行了控制和快速標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確反映電池狀態(tài)，標(biāo)定快速準(zhǔn)確。下面是幾次實(shí)驗(yàn)中獲得的典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
圖6為某工況下電池電壓、電流、SOC隨時(shí)間變化的曲線。其中，從上往下依次為電池電壓、SOC和電流（圖7、圖8同圖6）。工況要求先恒流充電2800秒，達(dá)到70%SOC，擱置1200秒，然后按照規(guī)定的電壓電流反復(fù)充放電10次，其中第5次和第6次充放電之間擱置1200秒，最后恒流放電到SOC為0。圖6中的電壓，電流和SOC曲線準(zhǔn)確反映了上述工況要求，SOC的變化方向和電池電流變化方向嚴(yán)格同步，說明監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能夠精確反映電池狀態(tài)變化。
圖6 某工況電池狀態(tài)
圖7為圖6所示工況4000-5000秒的放大圖，包括了幾個(gè)典型的充放電過程。從4080秒開始的40秒為12kW恒功率放電，研究電壓電流曲線圖，隨著放電電流增加，電池電壓減少，符合恒功率放電特征；之后為2KW恒功率充電（4120秒到4250秒），充電電流有微小的下降，充電電壓則相應(yīng)有微小的上升，符合恒功率充電規(guī)律。而SOC則隨充放電動(dòng)作線性變化，這和理論分析完全一致。
圖7 圖6所示工況部分放大圖
圖8為另一個(gè)實(shí)驗(yàn)工況時(shí)的電池狀態(tài)曲線，該工況是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)實(shí)驗(yàn)。包括了恒流充電，恒流放電和三個(gè)連續(xù)充放電的過程。在將近5個(gè)小時(shí)的測(cè)試時(shí)間里，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采樣準(zhǔn)確，電池狀態(tài)數(shù)據(jù)與工況設(shè)定吻合。
圖8 某實(shí)驗(yàn)工況電池狀態(tài)
4 結(jié)論
本BMS監(jiān)控系統(tǒng)基于CAN通訊卡和虛擬儀器技術(shù)，采用了模塊化并行循化的程序設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了電池狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，模擬其它節(jié)點(diǎn)與BMS通信，對(duì)BMS控制參數(shù)進(jìn)行控制和快速標(biāo)定等功能。
監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的臺(tái)架測(cè)試和實(shí)車試驗(yàn)，結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，采樣精確，實(shí)時(shí)性好，準(zhǔn)確反映了電池工作狀態(tài)，可以快速準(zhǔn)確地標(biāo)定BMS的控制參數(shù)，在BMS的開發(fā)過程中發(fā)揮了重要作用。
參考文獻(xiàn)
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